基于TMS28335的智能电网快速采样系统设计

李宁峰

(国网电力科学研究院，江苏 南京 210003)

随着我国智能电网建设的逐步实施，对电网内各种智能设备的通信速率、数据处理规模、动作预判速度等指标都提出了愈来愈高的要求。一个高速、同步的交流信号采集系统，可以为各种智能装置提供高效、稳定的数据源，供智能设备进行信号处理与分析，是建设坚强智能电网必须解决的关键技术环节。本设计采用了TI的TMS320F28335作为DSP数据处理平台，选择ADI的AD7656-1作为AD转换器件，结合高精度、宽线性范围的交流信号前端处理环节，以及现场总线、以太网等多功能通信接口模块，构成了一套性能稳定、响应快、精度高的交流量采样系统。为智能电网运行控制、系统及设备保护、电量计量提供了快速、准确、全面的数据支持。

1 交流量快速采样系统的基本构成

本系统承接一次侧互感器变换来的交流量或弱模量，采用高导磁互感器，可在0～40倍额定值的采样范围内保证采样的线性度，并且能有效抑制信号中直流分量对互感器饱和的影响，保证测量的准确性。因电网中交流信号包含的噪声十分丰富，为减小其对采样精度的影响，通常应加入一个低通滤波和运放跟随的信号调理环节，对采样波形进行优化。然后将所有通道同时接入AD7656-1进行AD转换，输出信号供DSP处理器进行多路信号处理。最后将处理好的数字化交流信号量通过多功能通信接口传输给相应的设备或后台系统。采样系统组成框图如图1所示。

图1 多路交流量采样系统组成框图

2 互感器的选择

信号互感器处于交流量采集系统的前端，是将电力系统中一次互感器的电流电压量接入、变换后供系统采样的重要环节。如信号互感器选择不当，会导致采样信号波形畸变、削顶、非周期暂态饱和等问题，严重影响采样数据质量。通常电磁式互感器的性能与体积成正比关系，即体积越大，性能也越优越。考虑采集装置的安装体积，本系统选用经特种热处理的硅钢带制成的互感器磁芯，采用这种磁芯的互感器具有体积小，导磁高、抗直流分量等特点，很适合在电力系统采样应用。经单体测试，该互感器在40倍额定值的范围内，线性优良，误差小于千分之一，完全满足采样系统对前端互感器的性能要求[1]。

3 交流量调整环节

为使信号互感器输出的电平能和模数转换芯片AD7656-1的输入要求匹配，需要对互感器的输出信号进行适当地调整，本系统的调整电路如图2所示。该电路前端采用低通滤波网络，滤去交流信号里大于10 kHz的高次谐波，以减少因高频信号混叠现象对采样计算误差的影响。低通滤波后，采用运放对信号幅值进行调整，以满足AD转换芯片对输入电平的要求[2，3]。

4 AD7656-1和TMS320F28335

本设计采用AD7656-1作为系统的核心AD转换器件，AD7656-1是AD7656的升级产品，在保证性能不变的同时，它的外围电路设计简洁性方面有了很大提高。以下详细介绍基于TMS28335平台的AD7656-1接口设计过程。

4.1 AD7656-1简介

图2 交流量调整环节原理图

AD7656-1是ADI公司最新推出的适合快速同步采样的AD转换芯片，该芯片为高集成度、6通道、16bit逐次逼近 (SAR)型ADC，它具有最大4LSBS INL和每通道达250 kb/s的采样率，并且在片内包含一个2.5 V内部基准电压源和基准缓冲器，应用十分方便。该器件仅有典型值160 mW的功耗，比最接近的同类双极性输入ADC的功耗降低了60%，使得装置在节能的同时，可靠性得到很大提高。AD7656-1包含一个低噪声、宽带采样保持放大器（T／H），以便处理输入频率高达 8 MHz的信号。该芯片具有高速并行和串行接口，可根据需要与微处理器（MCU）或数字信号处理器（DSP）对接，完成采样数据的传输。AD7656-1在串行接口方式下，还能提供一个菊花链的连接方式，以便把多个AD7656-1连接到一个处理器串行接口上，达到扩展采样通道的作用。

4.2 TMS320F28335简介

TMS320F28335数字信号处理器是TI公司推出的一款浮点DSP控制器。相比以往的DSP，该器件具有精度高、成本低、功耗小、性能高、外设集成度高、数据及程序存储空间大等特点。它采用176引脚的LQFP四边形封装，内核1.8 V供电，外设3.3 V供电，因而功耗大大降低。32位CPU以及单精度浮点运算单元FPU的应用，提高了运算的精度。存储器采用高性能的静态CMOS技术，指令周期仅为6.67 ns，主频可达150 MHz，运算速度提高很大。片上有 256 kB×16的 Flash存储器、34 k B×l6的SARAM 存储器、1 kB×16 OTPROM 和 8 kB×l6的Boot ROM等丰富的存储单元，能灵活满足各种编程应用。时钟控制系统具有片内振荡器、看门狗模块，支持动态PLL调节，内部可编程锁相环，通过软件设置相应寄存器的值，可改变CPU的输入时钟频率。有18个PWM输出口，包含6个高分辨率脉宽调制模块（HRPWM）、6个事件捕获输入和2个通道的正交调制模块（QEP）。3个32位的定时器，定时器0和定时器1用做一般的定时器，定时器0接到PIE模块，定时器1接到中断INTl3；定时器2用于DSP／BIOS的片上实时系统，连接到中断INTl4，如果系统不使用DSP／BIOS，定时器2亦可用做一般定时器。

TMS320F28335具有高度集成的外设引脚，包括2通道CAN模块、3通道SCI模块、2个McBSP（多通道缓冲串行接口）模块、1个SPI模块、1个I2C串行总线接口模块以及88个可编程的复用GPIO信号输出输入引脚，为各类应用提供了丰富的信号资源。

TMS320F28335还内置了一个12位A／D转换器，但根据该片内AD的指标及应用经验，该AD转换器可满足综合误差不小于千分之三的系统应用要求，因本采样装置要求的系统综合误差不大于千分之二，所以设计中没有采用F28335的片内AD，而选用精度更高的AD7656-1作为本采样系统的高速AD转换器件。

4.3 接口硬件电路设计

该接口采用并行数据处理、并行接口扩展的设计方式，电路如图3所示。

图3 AD7656-1与F28335接口硬件电路图

ADIN1-6接入来自运放环节的六路输入模拟信号，ADD0-15是与F28335接口的16位数据总线。ADBUSY信号为高电平时，表明模数转换正在进行，不响应外部读写，当F28335检测到ADBUSY信号为低电平时，表明模数转换结束，即可进行读取转换结果或其他相关操作。ADCS#为片选信号，当F28335对AD7656-1进行读写寻址操作时，该信号变低，图3中用该信号同时开放AD7656-1的“读”信号，有利于简化软硬件设计。片上的CSTA，CSTB，CSTC分别是交流通道V1和V2、V3和V4、V5和V6转换开始的启动信号，本系统要求各路模拟信号同步采样。因此，必须将CSTA，CSTB，CSTC一同接至ADSH，由F28335输出的ADSH信号来启动AD7656-1全部模数同步转换过程，AD7656-1的优势在于转换过程只需要一次启动，各路转换会自动完成。转换结束后，ADBUSY信号变低，F28335即可依次从AD7656-1读入各路转换结果，软件编程非常方便，非常适合电力系统采样应用。

设计中采样通道数量为32路，一片AD7656-1只能提供6路通道，因此，需进行采样通道扩展。这里采用并行扩展方式，方法是用ADSH信号同步接入 6片 AD7656-1的 CSTA，CSTB，CSTC 端口，统一启动系统模数转换过程，然后逐路监视各片的ADBUSY信号，当ADBUSY信号变低电平，转换全部完成后，即可通过切换各片AD7656-1的片选信号ADCS来读出全部模数转换结果，从而达到系统采样通道并行扩展目的，扩展原理如图4所示。

图4 模数采样通道并行扩展原理图

系统设计中采用了AD7656-1内部的参考电压，RANGE信号接低电平，使得AD7656-1的模拟输入电压范围可达±10 V，大大提高了输入范围。W/B和S/P信号同时接低电平，用以制定AD7656-1的转换结果采用16位并行方式输出。

4.4 接口驱动程序设计

AD7656-1的大部分转换时序和流程由硬件实现，不但加快了转换速度，也使接口软件的设计简化了很多。硬件配置后，只需启动一次转换，待转换完成后，逐片逐路读出各通道的16位转换结果即可。接口驱动程序如下：

5 系统的软件设计

系统软件采用模块化设计，最大可满足32路交流通道的实时采样，基本功能模块有：

（1）实时计算交流电压、电流、频率、功率、谐波有效值；

（2）分时计算各路有功、无功功率；

（3）完善的记录功能，包括断相、过压、失压、失流、逆相序、越限等；

（4）历史数据重现功能，可保留最多至一周的历史数据；

（5）通信接口配置功能，输出数据格式可配置成RS232，CAN，SPI，以太网等接口方式。

各模块及时刷新数据，分时共享输出接口，保证采样的及时和快速。软件模块架构设计如图5所示。

图5 软件模块架构设计图

6 结束语

本文的交流快速采样系统采用了新型AD转换器件，与性能优越的TMS28335平台相互配合，前端交流量调理单元也进行了高精度优化。经过严格测试和现场实际运行，该系统的实际采样精度达到0.1级，完全满足智能电网的0.2级交流量测量要求，同时还具有多种电量格式输出功能。基于该采样系统的装置可作为高精度数据采集单元，广泛用于数字化智能电站的数据采集系统中。

[1]杨宝龙，鄢兴俊.AD7656的串行设计[J].船电技术，2009（11）：48-51.

[2]余恒洁.数字化变电站中电能计量装置的应用[J].云南电力技术，2008，36（5）：64-65.

[3]章坚民，蒋仕挺，金乃正，等.基于IEC 61850标准的数字化变电站电能量采集终端的建模与实现[J].电力系统自动化，2010，34（11）：67-71.